Paris, France
February, 2008
Source:
Institut de Recherche pour le
Dévelopment (IRD)
Un mécanisme génétique universel découvert chez les plantes
fixatrices d’azote
Fiche n°288 - Février 2008
Certains végétaux ont la
capacité de se développer sur des sols très pauvres en
éléments minéraux. Cette faculté, résultant d’une symbiose
au niveau de leurs racines avec des bactéries fi xatrices
d’azote (Rhizobium ou Frankia) et des champignons
mycorhiziens, améliore fortement leur nutrition azotée et
phosphatée.
Une équipe de l’IRD, en collaboration avec un laboratoire de
l’Université de Munich, s’attache depuis plusieurs années à
décrypter les mécanismes de reconnaissance à l’origine des
associations entre végétaux, bactéries et champignons. Ils
ont ainsi découvert qu’un des éléments génétiques des
plantes appelé SymRK (pour Symbiosis Receptor Kinase),
nécessaire aux légumineuses (pois, trèfl es luzerne…)
s’associant avec la bactérie Rhizobium et les champignons
mycorhiziens, est également indispensable à l’établissement
de la symbiose entre l’arbre tropical Casuarina, plus connu
sous le nom de filao, et la bactérie fixatrice d’azote
Frankia. La compréhension de ces mécanismes est essentielle
pour la mise au point de stratégies qui permettront un jour
de transférer ces capacités symbiotiques à des plantes qui
en sont dépourvues (blé, maïs, riz, etc.) et de fournir
ainsi une alternative à l’apport massif d’engrais chimiques
aux cultures.
Article complet:
http://www.ird.fr/fr/actualites/fiches/2008/fas288.pdf
Un
mecanismo genético universal descubierto en las plantas
fijadoras de nitrógeno
Ciertos microorganismos del suelo
son capaces de asociarse con las raíces de los vegetales bajo
forma de simbiosis, algunos de los cuales desempeñan un papel
ecológico y agronómico muy importante. De esta manera, la
simbiosis micorrícica arbuscular (que vincula una planta con un
hongo) permite a las primeras mejorar su nutrición hídrica y
mineral. Esta asociación, que data de 400 millones de años
atrás, parece haber acompañado la colonización del medio
terrestre por los vegetales y se refiere actualmente a más del
80% de las especies de plantas. Más recientemente, hace cerca de
60 millones de años, la simbiosis que se estableció entre
bacterias del suelo, las Rhizobium, y plantas de la familia de
las leguminosas, les concedió la capacidad única, entre los
vegetales de cultivo intensivo, de alimentarse a partir del
nitrógeno contenido en el aire. Los Rhizobium forman en efecto
en las raíces de las leguminosas con las cuales se asocian,
órganos especializados, los nódulos, capaces de transformar el
nitrógeno atmosférico en amonio directamente asimilable por la
planta. A cambio, la planta proporciona a los microorganismos
nutrimentos bajo forma de glúcidos complejos.
Desde hace varios años, los científicos intentan entender los
mecanismos genéticos que dan origen a estas relaciones de
beneficios recíprocos entre vegetales y bacterias, por una
parte, y entre vegetales y hongos, por otra parte. En 2000, un
estudio realizado por un equipo de investigadores franceses
demostró que ciertos mecanismos de señalización genética que
intervienen en la simbiosis entre las leguminosas y las
bacterias de tipo Rhizobium y las leguminosas y los hongos
micorrícicos, recurrían a un elemento genético común
ulteriormente llamado SymRK. Se sabe asimismo que este tipo de
gen interviene en el reconocimiento de los factores Nod,
moléculas señalizadoras emitidas por las bacterias de tipo
Rhizobium que son esenciales para la formación de los nódulos
radiculares.
Las plantas actinorrícicas constituyen otro grupo de vegetales
que adquirió la capacidad de vivir en simbiosis con otra
bacteria fijadora de nitrógeno denominada Frankia. Estas
especies vegetales pioneras, cuyos mecanismos genéticos
involucrados en la relación huésped simbionte son todavía poco
estudiados, están generalmente presentes en medios alterados
tales como los suelos volcánicos o los suelos mineros, y en los
terrenos pobres en nitrógeno como las morenas o los suelos
arenosos. Existen 260 especies de plantas actinorrícicas
distribuidas en 24 géneros y 8 familias de angioespermas, las
plantas con flores. Un equipo del IRD, en colaboración con un
laboratorio de la Universidad de Munich, estudió en particular
el árbol tropical Casuarina, más conocido con el nombre de
filao. Con ayuda de métodos de biología molecular, los
científicos estudiaron en un inicio la secuencia que codifica el
gen SymRK, en el seno del genoma de Casuarina. Una vez el gen
aislado, el equipo quiso saber si éste era indispensable para el
filao en el establecimiento de su simbiosis con la bacteria
Frankia. Para lograrlo, desarrollaron plantas transgénicas en
las cuales la expresión del gen SymRK fue muy disminuido.
Compararon posteriormente su capacidad para formar nódulos
simbióticos en sus raíces con la de las plantas testigo.
Según los análisis, las plantas cuya expresión del gen SymRK se
ve alterada, producen dos veces menos nódulos radiculares que
las plantas testigo. En estos mismos individuos, el fenómeno de
micorrización se ve asimismo fuertemente disminuido en relación
con los filaos silvestres. Estos resultados indican que la
reducción de la expresión del gen SymRK provoca, en Casuarina,
una disminución importante de su capacidad para fijar el
nitrógeno atmosférico así como una reducción de su capacidad
para formar micorrizas. De manera más general, estas
conclusiones ponen en evidencia el hecho de que, en las plantas
fijadoras de nitrógeno, un elemento genético común parece
indispensable para la implementación de tres tipos de
asociaciones simbióticas que favorecen la intervención de
bacterias (Rhizobium y Frankia) o de un hongo micorrícico.
Una mejor comprensión de estos mecanismos genéticos podría
contribuir, en los próximos años, a implementar procesos que
permitan transferir el material genético necesario para la
fijación del nitrógeno del aire a plantas que, al igual que los
cereales, son incapaces de hacerlo. Si bien el arroz establece
una relación simbiótica con un hongo micorrícico, es incapaz de
desarrollar nódulos fijadores de nitrógeno. Cabe señalar que, al
modificar su genoma para conferirle esta capacidad, sería
posible limitar significativamente el aporte de abonos
nitrogenados a este cultivo agrícola y disminuir de esta manera
en la misma medida la contaminación de los suelos que se
desprende.
Redacción DIC- Grégory Fléchet
Source:
Biopact
Translated for Biopact by Laurens
Rademakers.
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Frankia is genus
of nitrogen-fixing bacteria that live in the
soil and have a symbiotic relationship with many
plants. By focusing on the genome of Frankia,
French and German scientists discovered a
genetic mechanism responsible for root-fungal
and root-bacterial symbioses. Credit:
MicrobeWiki. |
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Scientists discover genetics of nitrogen fixation in plants -
potential implications for future agriculture
Some plants have the capacity to
grow well in nutrient poor soils without additional fertilizers.
This is the result of a very efficient symbiosis between either
nitrogen fixing bacteria that interact with the plant's roots,
or between these roots and mycorrhizal fungi. These symbioses
allow plants to strongly improve their uptake of nitrogen,
phosphorus and water. Now a team of French and German scientists
has discovered [*.pdf French/Spanish] the common genetic
mechanism at work that allows the elements of the symbiosis to
interact.
Their findings might make it possible to transfer the nitrogen
fixing capacity of legumes to a wide range of crops that do not
have this ability, including maize and rice. Ultimately, this
could lead to a massive reduction of inorganic fertilizer
consumption. The discovery is reported in the early edition of
the Proceedings of the National Academy of Sciences.
The team of researchers from the Institut de Recherche pour le
Développement (IRD) and the University of Munich have been
collaborating for years on the project. They found that one of
the genetic elements of nitrogen fixing plants called SymRK
(Symbiosis Receptor Kinase), used by leguminous plants (pea,
alfalfa...) to join Rhizobia bacteria and mycorrhizal fungi, is
also essential for the establishment of the symbiosis between
the tropical tree Casuarina - an actinorhizal plant that thrives
in poor sandy soils - and nitrogen fixing bacteria belonging to
the genus Frankia. This new understanding unlocks the keys to
the genetics of the nitrogen fixing capacity of plants, and
could make it possible to apply the mechanism to the development
of crops that massively cut back on fertilizers.
Inorganic fertilizers are an essential but expensive input for
farmers. World wide consumption of nitrogen fertilizers was
around 130 million tonnes in 2007. Phosphate demand stood at
around 37 million ton. Prices are rising steadily because of
high oil and gas prices. Some crops like maize require large
applications that have to be repeated each growing seaon.
Particular cropping systems - such as growing nitrogen-fixing
crops after other crops - can limit the need for fertilizers
marginally and temporarily.
But what if crops like maize and rice could be designed in such
a way that they do not require any additional inorganic
fertilizers? That would revolutionise agriculture on a global
scale and would greatly limit the different types of pollution
and ecosystem damage caused by artificial fertilizers. The
discovery of the genetic basis for the efficient N2-fixing
capacity in plants might make the development of such crops
possible.
The association between mycorrhizal fungi and plants is
estimated to be more than 400 million years old. It helped
plants colonize the land. Today, the symbiosis can be found in
more than 80% of the all plant species. More recently,
approximately 60 million years ago, a new symbiosis developed
between soil bacteria known as rhizobia, and leguminous plants,
which granted them the unique capacity to nourish themselves by
extracting nitrogen from the air to use it as a nutrient.
Rhizobia establish themselves inside the root nodules of
legumes, where they transform nitrogen into ammonium that can be
directly taken up by the plant. In return, the plant provides to
the micro-organisms with nutrients in the form of complex
glucides.
Unlocking the mechanism
For several years, scientists have tried to unlock the genetic
mechanisms responsible for these mutually beneficial relations
between plants and bacteria on the one hand, and bacteria and
fungi on the other.
Already in 2000, IRD researchers discovered a genetic signaling
mechanism common to the way in which legumes interact with
rhizobia and to the way in which mycorrhizae work. The symbioses
use a common genetic element baptized SymRK. This gene
intervenes in recognizing Nod factors - the signaling molecules
that are crucial for the rhizobia to establish themselves in
root nodules.
So-called actinorhizal plants have formed a second group of
plants that have acquired the capacity to benefit from a
symbiosis with another type of nitrogen-fixing bacteria called
Frankia. The genetic mechanisms of these plants' relationship
with their symbiont has not been studied in-depth so far.
The actinorhizal plants can be found in disturbed environments,
such as volcanic soils or mining terrain and in soils starved of
nitrogen, such as sandy moraines.
There are approximately 260 species of actinorhizal plants
distributed over 24 genera and 8 families of flowering plants.
To study the symbiosis, the French and German researchers were
particularly interested in the tropical Casuarina tree, better
known under the name filao. Casuarinas thrive at tropical
beaches, in poor sandy soils.
Using techniques from molecular biology, the scientists looked
for the sequence coding the SymRK gene within the Casuarina
genome. Once they identified the gene, they wanted to find out
whether it is again responsible for the establishment of the
symbiosis between filao and the Frankia bacteria.
To find out, they developed transgenic plants in which the
expression of the SymRK gene was strongly reduced. They then
compared the capacity of these plants to form symbiotic nodules
on their roots with that of wild plants. According to these
analyses, the plants whose SymRK gene's potency was reduced,
produced half the number of root nodules compared with the
control plants. The formation of mycorrhizae also strongly
decreased compared with the wild Casuarina trees.
These results indicate that the reduction of the expression of
the SymRK gene, in filao, causes a major reduction in its
capacity to fix atmospheric nitrogen as well as a reduction of
its aptitude to form mycorrhizae. More generally, these
conclusions highlight the fact that there is a common genetic
element at work in nitrogen fixing plants that seems essential
for the installation of the three types of symbiotic
associations utilizing bacteria (Rhizobium and Frankia) or
mycorrhizal fungi.
Implications
A better comprehension of these genetic mechanisms could
contribute, in the years to come, to the development of
techniques to transfer the genetic material necessary for the
nitrogen fixing capacity to crops that are unable to perform
this task, such as cereals like maize and rice.
Whereas rice does establish a symbiotic relation with a
mycorrhizal fungus, it is indeed inapt to develop nitrogen
fixing nodules. However, by modifying its genome in such a way
that rice plants too are capable of feeding off the atmospheric
nutrient, it would become possible to significantly limit the
nitrogen fertilizer needs in rice cultivation. This would have
major economic and environmental effects: reduced production
costs for farmers world wide and less pollution from nitrogen
runoff.
If the N2-fixing capacity is transferred to all the major grain
crops currently produced, world agriculture would be transformed
forever.
References:
SymRK defines a common genetic basis for plant root
endosymbioses with arbuscular mycorrhiza fungi, rhizobia, and
Frankia bacteria
Hassen Gherbi, Katharina Markmann, Sergio Svistoonoff, Joan
Estevan, Daphné Autran, Gabor Giczey, Florence Auguy, Benjamin
Péret, Laurent Laplaze, Claudine Franche, Martin Parniske, and
Didier Bogusz
Published online on March 3, 2008,
Proc.
Natl. Acad. Sci. USA, DOI: 10.1073/pnas.0710618105,
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